background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

1

12.

  

12. Analiza stanu odkształcenia

12.1. Składowe stanu odkształcenia

Każda   konstrukcja   budowlana   pod   wpływem  obciążenia   doznaje   odkształceń,   które   objawiają   się

zmianą kształtu i wymiarów elementów budowlanych. Rysunek 12.1 przedstawia odkształcony pod wpływem
sił czynnych (P

1

, P

2

 i P

3

) i biernych (R

1

 i R

2

) element konstrukcji.

X

1

X

2

X

3

P

1

P

2

P

3

R

1

R

2

A

A'

u

 A

Rys. 12.1. Odkształcony element konstrukcji.

Odkształcenia zostaną opisane za pomocą współrzędnych w konfiguracji pierwotnej (przed odkształceniem).
Na rysunku 12.1 punkt A po odkształceniu przemieścił się o wektor przemieszczenia 

u

 A

 do punktu A'.

Wektor przemieszczenia można wyrazić jako

u

A

=u

1

 A

⋅e

1

u

2

A

⋅e

2

u

3

A

⋅e

3

.

(12.1)

Możemy wyróżnić dwa rodzaje odkształceń:

1. Odkształcenia objętościowe, które powodują zmianę objętości bez zmiany postaci.

2. Odkształcenia postaciowe, które powodują zmianę kształtu (postaci).

Aby określić stan odkształcenia w punkcie należy rozpatrzyć równowagę elementarnego prostopadłościanu o
wymiarach  dx

1

,   dx

2

  i  dx

3

,  który  będzie  obciążony  tensorem  naprężenia  (11.4).   Jak  zostanie  pokazane  w

następnym wykładzie zależność między naprężeniami a odkształceniami jest liniowa, czyli jeżeli naprężenia
wzrosną  dwa  razy  to  i  odkształcenia  wzrosną  dwa razy.   Jeżeli  skutek  (odkształcenia)  są  liniową  funkcją
przyczyny  (naprężenia)   to   można   zastosować  zasadę   superpozycji,   czyli  rozpatrywać   osobno  działanie
naprężeń normalnych 

s

11

s

22

s

33

 i naprężeń stycznych 

s

12

s

23

s

13

. Na koniec należy tylko zsumować skutki.

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

2

Zakładając, że naprężenia normalne są dodatnie (rozciągające) będą one powodowały zwiększenie długości
krawędzi  prostopadłościanu.  Na   rysunku 12.2   przedstawiono  elementarny  prostopadłościan  pod  wpływem
działania naprężeń normalnych. Zmiany długości krawędzi zostały pokazane na rzutach prostopadłościanu na
trzy płaszczyzny.

X

1

X

2

X

3

11

11

22

22

33

33

P

dx

2

Ddx

2

dx

3

D

dx

3

dx

2

Ddx

2

dx

3

D

dx

3

dx

1

Dd

x

1

dx

1

Dd

x

1

Rys. 12.2. Odkształcenia objętościowe.

Jak widać na rysunku 12.2 zmiany długości krawędzi wynoszą  

Ddx

1

,  

Ddx

2

,  

Ddx

3

. Taki stan odkształcenia

można jednoznacznie opisać za pomocą trzech wielkości

11

=

 dx

1

dx

1

,

(12.2)

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

3

22

=

 dx

2

dx

2

,

(12.3)

33

=

 dx

3

dx

3

.

(12.4)

Wielkości   (12.2),   (12.3)   i   (12.4)   nazywamy  odkształceniami   liniowymi.   Odkształcenia   liniowe   mogą
przyjmować wartości dodatnie, ujemne oraz zero. 

Zmianie   długości   krawędzi   towarzyszy   zmiana   objętości.   Zmianę   tą   nazywa   się  odkształceniem
objętościowym
. Objętość prostopadłościanu przed odkształceniem wynosiła

dV

=dx

1

dx

2

dx

3

.

(12.5)

Po odkształceniu objętość prostopadłościanu wynosi

dV

 dV =

dx

1

 dx

1

dx

2

 dx

2

dx

3

 dx

3

.

(12.6)

Wzór (12.6) będzie miał postać

dV

 dV =dx

1

1

 dx

1

dx

1

dx

2

1

 dx

2

dx

2

dx

3

1

 dx

3

dx

3

.

(12.7)

Uwzględniając wzory (12.2), (12.3), (12.4)  i (12.5) wzór (12.7) będzie miał postać

dV

 dV =dV

1



11

1



22

1



33

.

(12.8)

Wzór (12.8) można przekształcić do postaci

dV

 dV

dV

=1

11



22



33



11

⋅

22



11

⋅

33



22

⋅

33



11

⋅

22

⋅

33

.

(12.9)

Odkształcenia są wielkością małą natomiast ich iloczyny są wielkościami małymi wyższego rzędu. W związku
z tym możemy pominąć człony zawierające iloczyny odkształceń. Wzór (12.9) będzie miał postać

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

4

 dV

dV

=

11



22



33

.

(12.10)

Wielkość po lewej stronie równania nazywa się względnym odkształceniem objętościowym lub dylatacją.
Jak widać jest ona sumą wszystkich liniowych odkształceń.

Odkształcenie prostopadłościanu wynikające z działania naprężeń stycznych wiąże się ze zmianą kształtu lub
inaczej zmianą postaci. Zmianie ulegają kąty nachylenia krawędzi prostopadłościanu bez zmiany ich długości.

X

1

X

2

X

3

P

12

21

23

32

13

31

12

13

23

23

12

13

Rys. 12.3. Odkształcenia postaciowe.

Miarą zmiany postaci prostopadłościanu są trzy kąty. Pierwszy z nich w płaszczyźnie X

1

X

2

12

=

12



12

.

(12.11)

Drugi z nich w płaszczyźnie X

2

X

3

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

5

23

=

23



23

.

(12.12)

Trzeci z nich w płaszczyźnie X

1

X

3

13

=

13



13

.

(12.13)

Interpretacją tych kątów jest różnica między kątem prostym w konfiguracji początkowej a kątem ostrym w
konfiguracji aktualnej (odkształconej).

Stan odkształcenia w punkcie opisują trzy składowe odkształcenia liniowego 

e

11

,  

e

22

,  

e

33

  oraz trzy składowe

odkształcenia postaciowego 

g

12

g

13

g

23

.

12.2 Równania geometryczne Cauchy'ego

W   rozdziale   tym   zostaną   podane   zależności  pomiędzy  współrzędnymi  wektora   przemieszczenia   a

składowymi stanu odkształcenia.

Rysunek 12.4 przedstawia rzut elementarnego prostopadłościanu na płaszczyznę X

1

X

2

.

Odkształcenie liniowe 

e

11

 wynosi

11

=

P ' A' '∣−∣P A

P A

,

(12.14)

w którym

P A∣=dx

1

(12.15)

oraz

P ' A' '∣=dx

1

u

1

∂ u

1

∂ x

1

dx

1

u

1

=dx

1

∂ u

1

∂ x

1

dx

1

.

(12.16)

Ostatecznie odkształcenie liniowe 

e

11

 wynosi

11

=

dx

1

∂ u

1

∂ x

1

dx

1

dx

1

dx

1

=

∂ u

1

∂ x

1

.

(12.17)

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

6

X

1

X

2

P

A

B

D

P'

A'

B'

D'

dx

1

u

P

u

 A

u

B

x

1

x

2

dx

2

u

1

u

2

A''

B''

12

12

u

1

∂ u

1

∂ x

1

dx

1

u

2

u

2

x

2

dx

2

u

2

x

1

dx

1

∂ u

1

∂ x

2

dx

2

Rys. 12.4. Rzut odkształconego elementarnego prostopadłościanu na płaszczyznę X

1

X

2

.

W podobny sposób można wyznaczyć odkształcenie liniowe 

e

22

.

22

=

P ' B ' '∣−∣P B

P B

,

(12.18)

w którym

P B∣=dx

2

(12.19)

oraz

P ' B ' '∣=dx

2

u

2

∂ u

2

∂ x

2

dx

2

u

2

=dx

2

∂ u

2

∂ x

2

dx

2

.

(12.20)

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

7

Ostatecznie odkształcenie liniowe 

e

22

 wynosi

22

=

dx

2

∂ u

2

∂ x

2

dx

2

dx

2

dx

2

=

∂ u

2

∂ x

2

.

(12.21)

Z równań (12.17) i (12.21) wynika zależność

33

=

∂ u

3

∂ x

3

.

(12.22)

Z rysunku 12.4 wynika, że

tg



12

=

A' ' A'
P ' A' '

,

(12.23)

w którym

A' ' A'∣=

∂ u

2

∂ x

1

dx

1

.

(12.24)

Uwzględniając (12.16) wzór (12.24) będzie miał postać

tg



12

=

∂ u

2

∂ x

1

dx

1

dx

1

∂ u

1

∂ x

1

dx

1

=

∂ u

2

∂ x

1

1

∂ u

1

∂ x

1

.

(12.25)

W przypadku małych odkształceń tangens kąta równa się w przybliżeniu kątowi wyrażonemu w radianach.

Ponadto wartość  

∂ u

1

∂ x

1

jest wielkością małą w porównaniu z jednością. Wzór (12.25) można ostatecznie

zapisać jako

12

=

∂ u

2

∂ x

1

.

(12.26)

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

8

Tangens kąta 

b

12

 wymosi

tg



12

=

B ' ' B '
P ' B ' '

,

(12.27)

w którym

B ' ' B '∣=

∂ u

1

∂ x

2

dx

2

.

(12.28)

Uwzględniając (12.20) wzór (12.28) będzie miał postać

tg



12

=

∂ u

1

∂ x

2

dx

2

dx

2

∂ u

2

∂ x

2

dx

2

=

∂ u

1

∂ x

2

1

∂ u

2

∂ x

2

.

(12.29)

W przypadku małych odkształceń tangens kąta równa się w przybliżeniu kątowi wyrażonemu w radianach.

Ponadto wartość  

∂ u

2

∂ x

2

jest wielkością małą w porównaniu z jednością. Wzór (12.29) można ostatecznie

zapisać jako

12

=

∂ u

1

∂ x

2

.

(12.30)

Ostatecznie kąt odkształcenia postaciowego będzie miał postać

12

=

∂ u

1

∂ x

2

∂ u

2

∂ x

1

.

(12.31)

Analogicznie można wyznaczyć pozostałe odkształcenia postaciowe.

23

=

∂ u

2

∂ x

3

∂ u

3

∂ x

2

.

(12.32)

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

9

13

=

∂ u

1

∂ x

3

∂ u

3

∂ x

1

.

(12.33)

Równania (12.17), (12.21), (12.22), (12.31), (12.32) oraz (12.33) noszą nazwę  równań geometrycznych
Cauchy'ego
. Wprowadzając oznaczenia odkształceń postaciowych

{

12

=2⋅

12

23

=2⋅

23

13

=2⋅

13

,

(12.34)

równania geometryczne można przedstawić w zapisie wskaźnikowym jako

ij

=

1
2

u

i , j

u

j , i

.

(12.35)

Wielkości u

i,j

 oraz u

j,i

 nazywa się gradientem przemieszczenia. Korzystając z wzoru (12.35) można zapisać

ji

=

1
2

u

j , i

u

i , j

.

(12.36)

Porównując wzory (12.35) i (12.36) można stwierdzić, że

ij

=

ji

.

(12.37)

Rozpisując równanie (12.35) można otrzymać wzory na odkształcenia liniowe

{

11

=u

1,1

=

∂ u

1

∂ x

1

22

=u

2,2

=

∂ u

2

∂ x

2

33

=u

3,3

=

∂ u

3

∂ x

3

(12.38)

oraz wzory na odkształcenia postaciowe

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

10

{

12

=

1
2

u

1,2

u

2,1

=

1
2

∂ u

1

∂ x

2

∂ u

2

∂ x

1

23

=

1
2

u

2,3

u

3,2

=

1
2

∂ u

2

∂ x

3

∂ u

3

∂ x

2

13

=

1
2

u

1,3

u

3,1

=

1
2

∂ u

1

∂ x

3

∂ u

3

∂ x

1

.

(12.39)

Dodatkową informację o deformacji daje kąt obrotu dwusiecznej zawartej między krawędziami elementarnego
prostopadłościanu.   Rysunek  12.5   przedstawia   obrót   dwusiecznej  kąta   zawartego  między  krawędziami  w
konfiguracji pierwotnej i aktualnej. Dodatni kąt obrotu dwusiecznej 

w

12

 następuje od osi X

2

 do osi X

1

.

X

1

X

2

P

A

B

D

P'

A'

B'

D'

12

12

45

o

12

45

o

Rys. 12.5. Obrót dwusiecznej kąta między krawędziami.

Zaznaczony na rysunku kąt 

d wynosi

=

90

o

12



12

2

=45

o

12



12

2

.

(12.40)

Kąt obrotu dwusiecznej można wyznaczyć z zależności

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

11

45

o

=

12

45

o

12



12

2



12

.

(12.41)

Kąt obrotu dwusiecznej ostatecznie wynosi

12

=

12

−

12

2

.

(12.42)

Korzystając z równań (12.26) i (12.30) kąt obrotu dwusiecznej wynosi

12

=

1
2

∂ u

1

∂ x

2

∂ u

2

∂ x

1

.

(12.43)

Z wzoru (12.43) można wyliczyć wartość kąta 

21

, która wynosi

21

=

1
2

∂ u

2

∂ x

1

∂ u

1

∂ x

2

.

(12.44)

Korzystając z równań (12.26) i (12.30) wzór (12.44) będzie miał postać

21

=

12

−

12

2

=−

12

.

(12.45)

Analogicznie można zapisać dla pozostałych kątów obrotu

23

=−

32

=

1
2

∂ u

2

∂ x

3

∂ u

3

∂ x

2

,

(12.46)

13

=−

31

=

1
2

∂ u

1

∂ x

3

∂ u

3

∂ x

1

.

(12.47)

Kąt obrotu dwusiecznej można zapisać ogólnie

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

12

ij

=−

ji

=

1
2

∂ u

i

∂ x

j

∂ u

j

∂ x

i

.

(12.48)

12.3 Tensor odkształcenia

Sześć  składowych  stanu  odkształcenia  wyrażonych  równaniami  (12.38)   i  (12.39)   można zapisać  w

postaci tablicy

ij

=

[

11

12

13

21

22

23

31

32

33

]

.

(12.49)

Tablica ta jest podobna do tensora naprężenia (11.4). Aby tablica (12.49) była tensorem musi ona spełniać
prawo transformacji tensora (10.74), które w przypadku stanu odkształcenia będzie miało postać

k ' p '

=a

k ' i

a

p ' j

⋅

ij

.

(12.50)

Korzystając z wzoru (12.35) lewą stronę (12.50) można wyrazić jako 

k ' p '

=

1
2

u

k ' , p '

u

p ' , k '

.

(12.51)

Gradient przemieszczenia można wyrazić jako

u

k ' p '

=

∂ u

k '

∂ x

p '

=

∂ u

k '

∂ x

j

∂ x

j

∂ x

p '

.

(12.52)

Korzystając z (10.52) można wzór (12.52) zapisać jako

u

k ' p'

=

∂ u

k '

∂ x

p'

=

∂ u

k '

∂ x

j

a

jp'

.

(12.53)

Ze względu na to, że funkcja cosinus jest funkcją parzystą można zapisać

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

13

a

jp'

=a

p ' j

(12.54)

czyli kosinus kąta między osią j a osią p' równa się kosinusowi między osią p' a osią j. Wzór (12.53) można
więc zapisać 

u

k ' p '

=

∂ u

k '

∂ x

p '

=

∂ u

k '

∂ x

j

a

p ' j

.

(12.55)

Z prawa transformacji wektora (10.50) 

u

k '

=a

k ' i

u

i

.

(12.56)

Podstawiając (12.56) do (12.55) otrzymano

u

k ' p '

=

a

k ' i

u

i

∂ x

j

a

p ' j

=a

k ' i

a

p ' j

u

i , j

.

(12.57)

Z równania (12.57) widać, że gradienty przemieszczeń tworzą tensor drugiego rzędu. 

u

p ' k '

=

∂ u

p '

∂ x

k '

=

∂ u

p'

∂ x

i

∂ x

i

∂ x

k '

.

(12.58)

Korzystając z (10.52) można wzór (12.58) zapisać jako

u

p' k '

=

∂ u

p'

∂ x

k '

=

∂ u

p'

∂ x

i

a

ik '

.

(12.59)

Wzór (12.59) można zapisać

u

p' k '

=

∂ u

p'

∂ x

k '

=

∂ u

p'

∂ x

i

a

k ' i

.

(12.60)

Z prawa transformacji wektora (10.50) 

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

14

u

p '

=a

p ' j

u

j

.

(12.61)

Podstawiając (12.61) do (12.60) otrzymano

u

p ' k '

=

a

p ' j

u

j

∂ x

i

a

k ' i

=a

k ' i

a

p ' j

u

j , i

.

(12.62)

Podstawiając (12.57) i (12.62) do (12.51) otrzymano

k ' p '

=

1
2

a

k ' i

a

p' j

u

i , j

a

k ' i

a

p ' j

u

j , i

,

(12.63)

który będzie miał postać

k ' p '

=a

k ' i

a

p' j

1
2

u

i , j

u

j , i

=a

k ' i

a

p ' j

⋅

ij

.

(12.64)

Ze wzoru (12.64) widać, że (12.49) stanowi tensor drugiego rzędu nazywany tensorem odkształcenia. Tensor
ten jest tensorem symetrycznym.

W podobny sposób można udowodnić, że współrzędne 

w

ij

  tworzą także tensor drugiego rzędu. Jednakże w

przeciwieństwie do tensora odkształcenia tensor ten jest tensorem skośnie symetrycznym (10.103). Tensor ten
nazywa się tensorem obrotu i ma postać

ij

=

[

11

12

13

21

22

23

31

32

33

]

=

[

0

12

13

−

12

0

23

−

13

−

23

0

]

.

(12.65)

We wzorze (12.65) wykorzystano właściwość tensora skośnie symetrycznego (10.104).

12.4 Odkształcenia główne

Podobnie  jak  dla  tensora   naprężenia  istnieje  pewien  układ  współrzędnych,  w  którym  odkształcenia

liniowe  będą   ekstremalne  natomiast   odkształcenia   postaciowe  będą   wynosiły  zero.   Odkształcenia   główne
oblicza się z równania charakterystycznego

3

I

1

⋅

2

I

2

⋅−I

3

=0

,

(12.66)

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

15

w którym I

1

, I

2

 i I

3

 są niezmiennikami stanu odkształcenia. Pierwszy niezmiennik ma postać

I

1

=

kk

=

11



22



33

.

(12.67)

Porównując wzór (12.67) i (12.10) można stwierdzić, że pierwszy niezmiennik stanu odkształcenia równa się
względnemu odkształceniu objętościowemu.

Drugi niezmiennik stanu odkształcenia ma postać

I

2

=

∂∣

ij

∂

kk

=

∂∣

ij

∂

11

∂∣

ij

∂

22

∂∣

ij

∂

33

,

(12.68)

który można przedstawić w postaci

I

2

=

11

12

21

22

11

13

31

33

22

23

32

33

.

(12.69)

Trzeci niezmiennik stanu odkształcenia ma postać

I

3

=∣

ij

∣=

11

12

13

21

22

23

31

32

33

.

(12.70)

Rozwiązaniem równania (12.66) są trzy odkształcenia główne, które można uporządkować w sposób

I

=max

1

,

2

,

3

III

=min

1

,

2

,

3

(12.71)

natomiast

III



II



I

.

(12.72)

Odkształcenia 

e

I

e

II

e

III

 nazywa się odkształceniami głównymi uporządkowanymi.

Chcąc wyznaczyć kierunki główne odpowiadające poszczególnym odkształceniom głównym należy wartości
odkształceń uporządkowanych wstawić do układu równań podobnego do (11.72). Układ równań będzie miał w

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

16

przypadku stanu odkształcenia postać

{

11

−

I

n

1

1



21

n

2

1



31

n

3

1

=0

12

n

1

1

22

−

I

n

2

1



32

n

3

1

=0

13

n

1

1



23

n

2

1

33

−

I

n

3

1

=0

.

(12.73)

Układ   równań   (12.73)   jest   układem   równań   jednorodnym,   z   którego   można   obliczyć   jedynie   stosunki
pomiędzy   kosinusami   kierunkowymi   n

1

(1)

,   n

2

(1)

,   n

3

(1)

.   Chcąc   wyznaczyć   kierunki   główne   związane   z

odkształceniem  

e

I

  należy  wstawić warunek, który muszą spełniać kosinusy kierunkowe n

1

(1)

, n

2

(1)

, n

3

(1)

  (na

podstawie (10.61))

[

n

1

1

]

2

[

n

2

1

]

2

[

n

3

1

]

2

=1

.

(12.74)

Podstawiając pozostałe naprężenia główne można wyznaczyć pozostałe kosinusy kierunkowe. Zamiast jednego
z równań układu jednorodnego należy podstawić zależności

[

n

1

2

]

2

[

n

2

2

]

2

[

n

3

2

]

2

=1

,

(12.75)

[

n

1

3

]

2

[

n

2

3

]

2

[

n

3

3

]

2

=1

.

(12.76)

Kosinusy te będą tworzyły macierz transformacji w postaci

[

n

1

1

n

2

1

n

3

1

n

1

2

n

2

2

n

3

2

n

1

3

n

2

3

n

3

3

]

.

(12.77)

Aby układ współrzędnych był układem prawoskrętnym musi być spełniony warunek

n

1

1

n

2

1

n

3

1

n

1

2

n

2

2

n

3

2

n

1

3

n

2

3

n

3

3

=1

.

(12.78)

Jeżeli wyznacznik równa się minus jeden należy w jednym wierszu zmienić wszystkie znaki na przeciwne.

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

17

12.5 Ekstremalne odkształcenia postaciowe

Położenie układu współrzędnych, w którym odkształcenia postaciowe przyjmują wartości ekstremalne

najwygodniej jest określić w układzie osi głównych ( 

e

1

 > 

e

2

 > 

e

3

). Wzory transformacyjne mają postać

1' 1'

=a

1' 1

2

⋅

1

a

1' 2

2

⋅

2

a

1' 3

2

⋅

3

,

(12.79)

2' 2 '

=a

2 ' 1

2

⋅

1

a

2 ' 2

2

⋅

2

a

2 ' 3

2

⋅

3

,

(12.80)

3' 3'

=a

3' 1

2

⋅

1

a

3' 2

2

⋅

2

a

3' 3

2

⋅

3

,

(12.81)

1' 2 '

=a

1' 1

a

2 ' 1

⋅

1

a

1' 2

a

2 ' 2

⋅

2

a

1' 3

a

2 ' 3

⋅

3

,

(12.82)

1' 3'

=a

1' 1

a

3' 1

⋅

1

a

1' 2

a

3' 2

⋅

2

a

1' 3

a

3' 3

⋅

3

,

(12.83)

2 ' 3'

=a

2 ' 1

a

3' 1

⋅

1

a

2 ' 2

a

3' 2

⋅

2

a

2 ' 3

a

3' 3

⋅

3

.

(12.84)

Ekstremalne  odkształcenia  postaciowe  będą  się  znajdowały  na  płaszczyznach  nachylonych  pod  kątem  45
stopni w stosunku do układu osi głównych.

Dla   układu  współrzędnych  obróconemu  o  45   stopni  wokół  osi  X

3

  macierz  transformacji  ma  postać   (kąt

dodatni kręci od osi X

1

 do X

2

)

a

i ' j

=

[

a

1' 1

a

1' 2

a

1' 3

a

2 ' 1

a

2 ' 2

a

2 ' 3

a

3' 1

a

3' 2

a

3' 3

]

=

[

2

2

2

2

0

2

2

2

2

0

0

0

0

]

.

(12.85)

Odkształcenia w układzie transponowanym opisuje tensor odkształcenia

i ' j'

=

[

1



2

2

1

−

2

2

0

1

−

2

2

1



2

2

0

0

0

0

]

.

(12.86)

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

18

Dla układu współrzędnych obróconemu o 45 stopni wokół osi X

1

  (kąt dodatni kręci od osi X

2

  do osi X

3

)

macierz transformacji ma postać

a

i ' j

=

[

a

1' 1

a

1' 2

a

1' 3

a

2 ' 1

a

2 ' 2

a

2 ' 3

a

3' 1

a

3' 2

a

3' 3

]

=

[

0

0

0

0

2

2

2

2

0

2

2

2

2

]

.

(12.87)

Odkształcenia w układzie transponowanym opisuje tensor odkształcenia

i ' j'

=

[

0

0

0

0

2



3

2

2

−

3

2

0

2

−

3

2

2



3

2

]

.

(12.88)

Dla układu współrzędnych obróconemu o 45 stopni wokół osi X

2

  (kąt dodatni kręci od osi X

3

  do osi X

1

)

macierz transformacji ma postać

a

i ' j

=

[

a

1' 1

a

1' 2

a

1' 3

a

2 ' 1

a

2 ' 2

a

2 ' 3

a

3' 1

a

3' 2

a

3' 3

]

=

[

2

2

0

2

2

0

0

0

2

2

0

2

2

]

.

(12.89)

Odkształcenia w układzie transponowanym opisuje tensor odkształcenia

i ' j'

=

[

3



1

2

0

3

−

1

2

0

0

0

3

−

1

2

0

3



1

2

]

.

(12.90)

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

19

Ogólnie można powiedzieć, że pierwsze z ekstremalnych odkształceń postaciowych wyznacza się ze wzoru

maxI

/minI

1

−

2

2

,

(12.91)

a odpowiadające mu odkształcenia liniowe wyznacza się ze wzoru

 I

=

1



2

2

.

(12.92)

Drugie z ekstremalnych odkształceń postaciowych wyznacza się ze wzoru

maxII

/minII

2

−

3

2

,

(12.93)

a odpowiadające mu odkształcenia liniowe wyznacza się ze wzoru

 II

=

2



3

2

.

(12.94)

Trzecie z ekstremalnych odkształceń postaciowych wyznacza się ze wzoru

maxIII

/minIII

3

−

1

2

,

(12.95)

a odpowiadające mu odkształcenia liniowe wyznacza się ze wzoru

 III

=

3



1

2

.

(12.96)

12.6 Rozkład tensora odkształcenia na aksjator i dewiator

Tensor odkształcenia, tak samo jak i każdy inny symetryczny tensor rzędu drugiego można rozłożyć na

część  aksjatorową   (część  kulistą)   oraz   część   dewiatorową.   Zgodnie  ze  wzorem  (10.107)   aksjator   będzie
wynosił

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

20

ij

O

=

1
3

⋅

pp

⋅

ij

.

(12.97)

Aksjator można przedstawić w formie tablicy

ij

O

=

[

1
3

⋅

pp

0

0

0

1
3

⋅

pp

0

0

0

1
3

⋅

pp

]

.

(12.98)

We  wzorach  (12.97)   i  (12.98)  

e

pp

  równa  się  pierwszemu  niezmiennikowi  tensora   naprężenia.  Zgodnie  ze

wzorem (10.109) dewiator tensora naprężenia będzie wynosił

ij

D

=

ij

1
3

⋅

pp

⋅

ij

=

[

11

1
3

⋅

pp

12

13

21

22

1
3

⋅

pp

23

31

32

33

1
3

⋅

pp

]

.

(12.99)

Dla tensora odkształcenia w osiach głównych rozkład na aksjator i dewiator będzie miał postać

gl

=

[

1
3

⋅

pp

0

0

0

1
3

⋅

pp

0

0

0

1
3

⋅

pp

]

[

I

1
3

⋅

pp

0

0

0

II

1
3

⋅

pp

0

0

0

III

1
3

⋅

pp

]

,

(12.100)

w którym

pp

=

I



II



III

.

(12.101)

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

21

Jak łatwo sprawdzić pierwszy niezmiennik dewiatora (suma odkształceń na głównej przekątnej) równa się
zero.

Dewiator tensora odkształcenia w osiach głównych można zapisać jako

ij

D

=

[

I

D

0

0

0

II

D

0

0

0

III

D

]

.

(12.102)

Korzystając z zależności

III

D

=−

I

D

−

II

D

(12.103)

wzór (12.102) będzie miał postać

ij

D

=

[

I

D

0

0

0

II

D

0

0

0

−

I

D

−

II

D

]

,

(12.104)

który można przedstawić jako sumę dwóch tensorów

ij

D

=

[

I

D

0

0

0

0

0

0

0

−

I

D

]

[

0

0

0

0

II

D

0

0

0

−

II

D

]

.

(12.105)

Każdy z tych tensorów reprezentuje stan odkształcenia nazywany czystym odkształceniem postaciowym. Dla
pierwszego z tensorów zgodnie ze wzorem (12.90) ekstremalne odkształcenia postaciowe wynoszą 

i ' j '

=

[

−

I

D



I

D

2

0

−

I

D

−

I

D

2

0

0

0

−

I

D

−

I

D

2

0

−

I

D



I

D

2

]

=

[

0

0

I

D

0

0

0

I

D

0

0

]

.

(12.106)

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

22

Dla drugiego z tensorów zgodnie ze wzorem (12.88) ekstremalne odkształcenia postaciowe wynoszą 

i ' j '

=

[

0

0

0

0

II

D

−

II

D

2

II

D

−

II

D

2

0

II

D

−

II

D

2

II

D

−

II

D

2

]

=

[

0

0

0

0

0

−

II

D

0

−

II

D

0

]

.

(12.107)

Rysunek 12.6 przedstawia dwa czyste ścinania reprezentowane przez tensory (12.105).

III

I

I

 D

I

D

2

I

D

2

I

D

2

I

D

2

II

III

II

D

2

II

D

2

II

D

2

II

D

2

II

D

Rys. 12.6. Dwa czyste ścinania.

Korzystając z zależności

II

D

=−

I

D

−

III

D

(12.108)

wzór (12.102) będzie miał postać

ij

D

=

[

I

D

0

0

0

−

I

D

−

III

D

0

0

0

III

D

]

.

(12.109)

który można przedstawić jako sumę dwóch tensorów

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

23

ij

D

=

[

I

D

0

0

0

−

I

D

0

0

0

0

]

[

0

0

0

0

−

III

D

0

0

0

III

D

]

.

(12.110)

Dla pierwszego tensora zgodnie z (12.86) ekstremalne odkształcenia postaciowe wynoszą

i ' j '

=

[

I

D

−

I

D

2

I

D

−

I

D

2

0

I

D

−

I

D

2

I

D

−

I

D

2

0

0

0

0

]

=

[

0

−

I

D

0

−

I

D

0

0

0

0

0

]

.

(12.111)

Dla drugiego tensora zgodnie z (12.88) ekstremalne odkształcenia postaciowe wynoszą

i ' j '

=

[

0

0

0

0

−

III

D



III

D

2

−

III

D

−

III

D

2

0

−

III

D

−

III

D

2

−

III

D



III

D

2

]

=

[

0

0

0

0

0

III

D

0

III

D

0

]

.

(12.112)

Rysunek 12.7 przedstawia dwa czyste ścinania reprezentowane przez tensory (12.110).

I

II

I

 D

I

D

2

I

D

2

I

D

2

II

III

III

D

2

III

D

2

III

D

2

III

D

2

III

 D

I

D

2

Rys. 12.7. Dwa czyste ścinania.

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

24

Korzystając z zależności

I

D

=−

II

D

−

III

D

(12.113)

wzór (12.102) będzie miał postać

ij

D

=

[

−

II

D

−

III

D

0

0

0

II

D

0

0

0

III

D

]

.

(12.114)

który można przedstawić jako sumę dwóch tensorów

ij

D

=

[

−

II

D

0

0

0

II

D

0

0

0

0

]

[

−

III

D

0

0

0

0

0

0

0

III

D

]

.

(12.115)

Dla pierwszego tensora zgodnie z (12.86) ekstremalne odkształcenia postaciowe wynoszą

i ' j'

=

[

−

II

D



II

D

2

−

II

D

−

II

D

2

0

−

II

D

−

II

D

2

−

II

D



II

D

2

0

0

0

0

]

=

[

0

II

D

0

II

D

0

0

0

0

0

]

.

(12.116)

Dla drugiego tensora zgodnie z (12.90) ekstremalne odkształcenia postaciowe wynoszą

i ' j '

=

[

III

D

−

III

D

2

0

III

D

−

III

D

2

0

0

0

III

D

−

III

D

2

0

III

D

−

III

D

2

]

=

[

0

0

−

III

D

0

0

0

−

III

D

0

0

]

.

(12.117)

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

25

Rysunek 12.8 przedstawia dwa czyste ścinania reprezentowane przez tensory (12.115).

I

II

III

I

III

D

2

III

D

2

III

D

2

III

D

2

III

 D

II

D

2

II

D

2

II

D

2

II

D

2

II

 D

Rys. 12.8. Dwa czyste ścinania.

12.7 Płaski stan odkształcenia

Płaski stan odkształcenia jest szczególnym przypadkiem stanu odkształcenia. Występuje on na przykład

wtedy, gdy wszystkie odkształcenia z indeksem 3 są równe zero. Tensor odkształcenia będzie miał w układzie
współrzędnych X

1

X

2

 postać

ij

=

[

11

12

0

21

22

0

0

0

0

]

.

(12.118)

Płaski stan odkształcenia może występować w długiej ścianie oporowej, w której obciążenie w kierunku osi X

3

nie zmienia się natomiast obciążeniem ściany oporowej w kierunku osi X

1

 może być na przykład parcie wody

lub parcie gruntu p(x

2

). Ścianę taką przedstawia rysunek 12.9.

Rozpatrując wycięty myślowo element ściany należy stwierdzić, że aby element ten był poddany płaskiemu
stanowi odkształcenia muszą  się pojawić naprężenia  

s

33

  czyli  tensor  naprężenia stowarzyszony z  płaskim

stanem odkształcenia będzie miał postać

ij

=

[

11

12

0

21

22

0

0

0

33

]

.

(12.119)

Ogólnie   można   stwierdzić,   że   płaskiemu   stanowi   odkształcenia   nie   towarzyszy   płaski   stan   naprężenia.
Zostanie do dokładnie omówione w następnym wykładzie.

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

26

X

1

X

2

X

3

p(x

2

)

33

33

Rys. 12.9. Ściana oporowa.

Ze względu na podobieństwa pomiędzy tensorem odkształcenia i tensorem naprężenia wzory w płaskim stanie
odkształcenia będą podobne do wzorów dla płaskiego stanu naprężenia opisanych w punkcie 7.5. Zamiast
naprężeń   normalnych   będą   występowały   odpowiednie  odkształcenia   liniowe  natomiast   zamiast   naprężeń
stycznych będą występowały odkształcenia postaciowe. Indeks X będzie się równał indeksowi 1 a indeks Y
indeksowi 2. Przykładowe odkształcenia liniowe i postaciowe przedstawia rysunek 12.10.

X

1

X

2

X

1

X

2

2

⋅

12

=2⋅

21

dx

1

dx

2

dx

2

dx

1

Rys. 12.10. Odkształcenia liniowe i postaciowe w płaskim stanie odkształcenia.

Wzory transformacyjne będą miały dla płaskiego stanu odkształcenia postać

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

27

1' 1'

=

11



22

2

11

−

22

2

cos2⋅

12

sin2⋅

,

(12.120)

2' 2'

=

11



22

2

11

−

22

2

cos2⋅−

12

sin2⋅

,

(12.121)

1' 2'

=−

11

−

22

2

sin2⋅

12

cos2⋅

.

(12.122)

Kąt nachylenia osi głównych wynosi

tg

2⋅

gl

=

2

⋅

12

11

−

22

.

(12.123)

Podstawiając wartość kąta głównego do wzorów (12.120) i (12.121) można uzyskać wartości odkształceń
głównych. Wartości te można sprawdzić za pomocą wzoru

1

/2

=

11



22

2

±

11

−

22

2

2



12

2

.

(12.124)

Kąt nachylenia ekstremalnych odkształceń postaciowych można obliczyć ze wzoru

tg

2⋅

post

=−

11

−

22

2

⋅

12

.

(12.125)

Podstawiając   wartość   kąta  

a

post

  do   wzoru   (12.122)   można   uzyskać   wartość   ekstremalnych   odkształceń

postaciowych. Wartość tę można sprawdzić za pomocą wzoru

12 ext

11

−

22

2

2



12

2

.

(12.126)

Podstawiając wartość kąta 

a

post

 do wzorów (12.120) i (12.121) można uzyskać wartość odkształceń liniowych

odpowiadających   ekstremalnym  odkształceniom  postaciowym.   Wartości   te   można   sprawdzić   za   pomocą
wzoru

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

28

11 post

=

22 post

=

11



22

2

.

(12.127)

12.8 Tensor odkształcenia dla odkształceń skończonych

Gdy ciało odkształcalne poddane jest działaniu obciążenia, to poszczególne punkty poruszają się, co dla

obserwatora   zewnętrznego   widoczne   jest   jako   przemieszczanie   i   obrót   poszczególnych   jego   części.
Najwygodniejszym sposobem rozróżnienia odkształcenia ciała i jego ruchu jako bryły sztywnej jest zbadanie
zmian   odległości   pomiędzy   dwoma   punktami   położonymi   bardzo   blisko   siebie.   Ciało,   które   zostało
odkształcone i przemieszczone pod wpływem sił czynnych i biernych przedstawia rysunek 12.11.

X

2

=

x

2

P

1

P

2

R

1

X

1

=

x

1

X

3

=

x

3

A(x

i

)

B(x

i

+dx

i

)

A'(

x

i

)

B'(

x

i

+d

x

i

)

u

A

u

B

ds

ds

0

R

2

Rys. 12.11. Ciało pod wpływem działania sił czynnych i biernych.

Punkt A w konfiguracji pierwotnej ma współrzędne x

i

  natomiast po odkształceniu w konfiguracji aktualnej

punkt A przemieścił się do punktu A' o współrzędnych 

x

i

. Podobnie punkt B w konfiguracji pierwotnej znalazł

się w konfiguracji aktualnej w punkcie B'. Pierwotną odległość ds

0

  pomiędzy punktami A i B oblicza się z

zależności

ds

0

2

=

dx

1

2

dx

2

2

dx

3

2

=dx

i

dx

i

.

(12.128)

Odległość punktów A' i B' po odkształceniu oblicza się ze wzoru

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

29

ds

2

=

d

1

2

d

2

2

d

3

2

=

i

i

.

(12.129)

Poprzednio zakładano, że odkształcenia są bardzo małe. Obecnie nie będą nakładane na odkształcenia żadne
ograniczenia. Odkształcenia takie nazywają się odkształceniami skończonymi

Opisując stan odkształcenia ciała można posłużyć się współrzędnymi punktów w konfiguracji pierwotnej x

i

.

Opis taki nazywa się opisem materialnym lub opisem Lagrange'a. Można się także posłużyć współrzędnymi
w konfiguracji aktualnej 

x

i

. Opis taki nazywa się opisem przestrzennym lub opisem Eulera

W   opisie   Lagrange'a   współrzędne   w   konfiguracji   aktualnej   (po   odkształceniu)   wyraża   się   za   pomocą
współrzędnych w konfiguracji pierwotnej. Wektor przemieszczenia punktu A ma współrzędne

u

i

A

=u

i

=

i

x

i

.

(12.130)

Wektor przemieszczenia punktu B ma współrzędne

u

i

B

=

i

i

x

i

dx

i

.

(12.131)

Z równania (12.130) można otrzymać zależność

i

=u

i

x

i

=u

i

x

1

, x

2

, x

3

x

i

.

(12.132)

Po obliczeniu różniczek z lewej i prawej strony otrzymano

d

i

=

∂ u

i

∂ x

1

dx

1

∂ u

i

∂ x

2

dx

2

∂ u

i

∂ x

3

dx

3

dx

i

=

∂ u

i

∂ x

j

dx

j

dx

i

.

(12.133)

Długość odcinak A'B' w konfiguracji aktualnej wynosi

ds

2

=

i

i

=

∂ u

i

∂ x

j

dx

j

dx

i

∂ u

i

∂ x

k

dx

k

dx

i

.

(12.134)

Po wymnożeniu otrzymano

ds

2

=

∂ u

i

∂ x

j

dx

j

∂ u

i

∂ x

k

dx

k

∂ u

i

∂ x

j

dx

j

dx

i

∂ u

i

∂ x

k

dx

k

dx

i

dx

i

dx

i

.

(12.135)

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

30

W   członie  pierwszym  należy  zamienić  wskaźniki  i  na   k  oraz   k  na   i.   W   członie  trzecim  należy  zmienić
wskaźniki i na j oraz k na i. Wzór (12.135) będzie miało postać

ds

2

=

∂ u

k

∂ x

j

dx

j

∂ u

k

∂ x

i

dx

i

∂ u

i

∂ x

j

dx

j

dx

i

∂ u

j

∂ x

i

dx

i

dx

j

dx

i

dx

i

.

(12.136)

Różnica odległości w konfiguracji aktualnej i konfiguracji pierwotnej wynosi

ds

2

ds

0

2

=

∂ u

k

∂ x

j

dx

j

∂ u

k

∂ x

i

dx

i

∂ u

i

∂ x

j

dx

j

dx

i

∂ u

j

∂ x

i

dx

i

dx

j

dx

i

dx

i

dx

i

dx

i

,

(12.137)

który można przedstawić w formie

ds

2

ds

0

2

=dx

i

dx

j

∂ u

i

∂ x

j

∂ u

j

∂ x

i

∂ u

k

∂ x

i

∂ u

k

∂ x

j

.

(12.138)

Wzór (12.138) można przekształcić 

ds

2

ds

0

2

2

dx

i

dx

j

=

ij

L

=

1
2

∂ u

i

∂ x

j

∂ u

j

∂ x

i

∂ u

k

∂ x

i

∂ u

k

∂ x

j

.

(12.139)

Wzór (12.139) określa tensor dla odkształceń skończonych Lagrange'a (Greena). Jest to zbiór dziewięciu
bezwymiarowych wartości skalarnych, z których tylko sześć jest niezależnych ze względu na

ij

L

=

ji

L

.

(12.140)

Dla i=1 i j=1 wzór (12.139) będzie miał postać

11

L

=

∂ u

1

∂ x

1

1
2

∂ u

1

∂ x

1

∂ u

1

∂ x

1

∂ u

2

∂ x

1

∂ u

2

∂ x

1

∂ u

3

∂ x

1

∂ u

3

∂ x

1

.

(12.141)

Dla i=2 i j=2 wzór (12.139) będzie miał postać

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

31

22

L

=

∂ u

2

∂ x

2

1
2

∂ u

1

∂ x

2

∂ u

1

∂ x

2

∂ u

2

∂ x

2

∂ u

2

∂ x

2

∂ u

3

∂ x

2

∂ u

3

∂ x

2

.

(12.142)

Dla i=3 i j=3 wzór (12.139) będzie miał postać

33

L

=

∂ u

3

∂ x

3

1
2

∂ u

1

∂ x

3

∂ u

1

∂ x

3

∂ u

2

∂ x

3

∂ u

2

∂ x

3

∂ u

3

∂ x

3

∂ u

3

∂ x

3

.

(12.143)

Dla i=1 i j=2 wzór (12.139) będzie miał postać

12

L

=

21

L

=

1
2

∂ u

1

∂ x

2

∂ u

2

∂ x

1

∂ u

1

∂ x

1

∂ u

1

∂ x

2

∂ u

2

∂ x

1

∂ u

2

∂ x

2

∂ u

3

∂ x

1

∂ u

3

∂ x

2

.

(12.144)

Dla i=2 i j=3 wzór (12.139) będzie miał postać

23

L

=

32

L

=

1
2

∂ u

2

∂ x

3

∂ u

3

∂ x

2

∂ u

1

∂ x

2

∂ u

1

∂ x

3

∂ u

2

∂ x

2

∂ u

2

∂ x

3

∂ u

3

∂ x

2

∂ u

3

∂ x

3

.

(12.145)

Dla i=1 i j=3 wzór (12.139) będzie miał postać

13

L

=

31

L

=

1
2

∂ u

1

∂ x

3

∂ u

3

∂ x

1

∂ u

1

∂ x

1

∂ u

1

∂ x

3

∂ u

2

∂ x

1

∂ u

2

∂ x

3

∂ u

3

∂ x

1

∂ u

3

∂ x

3

.

(12.146)

W opisie Eulera współrzędne w konfiguracji pierwotnej wyraża się za pomocą współrzędnych w konfiguracji
aktualnej. Z równania (12.130) można otrzymać zależność

x

i

=

i

u

i

=

i

u

i

1

,

2

,

3

.

(12.147)

Po obliczeniu różniczek z lewej i prawej strony otrzymano

d x

i

=

i

∂ u

i

∂

1

1

∂ u

i

∂

2

2

∂ u

i

∂

3

3

=

i

∂ u

i

∂

j

j

.

(12.148)

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

32

Długość odcinak AB w konfiguracji pierwotnej wynosi

ds

0

2

=dx

i

dx

i

=

d

i

∂ u

i

∂

j

j

d

i

∂ u

i

∂

k

k

.

(12.149)

Po wymnożeniu otrzymano

ds

0

2

=

i

i

i

∂ u

i

∂

k

k

i

∂ u

i

∂

j

j

∂ u

i

∂

j

j

∂ u

i

∂

k

k

(12.150)

W drugim członie należy zmienić wskaźnik i na j oraz k na i. W czwartym członie należy zmienić wskaźnik i
na k oraz k na i. W wyniku otrzymano

ds

0

2

=

i

i

j

∂ u

j

∂

i

i

i

∂ u

i

∂

j

j

∂ u

k

∂

j

j

∂ u

k

∂

i

i

(12.151)

Różnica odległości w konfiguracji aktualnej i konfiguracji pierwotnej wynosi

ds

2

ds

0

2

=

i

i

i

i

j

∂ u

j

∂

i

i

i

∂ u

i

∂

j

j

∂ u

k

∂

j

j

∂ u

k

∂

i

i

,

(12.152)

który można przedstawić w formie

ds

2

ds

0

2

=

i

j

∂ u

i

∂

j

∂ u

j

∂

i

∂ u

k

∂

i

∂ u

k

∂

j

.

(12.153)

Wzór (12.153) można przedstawić w formie

ds

2

ds

0

2

2

i

j

=

ij

E

=

1
2

∂ u

i

∂

j

∂ u

j

∂

i

∂ u

k

∂

i

∂ u

k

∂

j

.

(12.154)

Wzór (12.154) określa tensor dla odkształceń skończonych Eulera (Almansiego). Jest to zbiór dziewięciu

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

33

bezwymiarowych wartości skalarnych, z których tylko sześć jest niezależnych ze względu na

ij

E

=

ji

E

.

(12.155)

Dla i=1 i j=1 wzór (12.154) będzie miał postać

11

E

=

∂ u

1

∂

1

1
2

∂ u

1

∂

1

∂ u

1

∂

1

∂ u

2

∂

1

∂ u

2

∂

1

∂ u

3

∂

1

∂ u

3

∂

1

.

(12.156)

Dla i=2 i j=2 wzór (12.154) będzie miał postać

22

E

=

∂ u

2

∂

2

1
2

∂ u

1

∂

2

∂ u

1

∂

2

∂ u

2

∂

2

∂ u

2

∂

2

∂ u

3

∂

2

∂ u

3

∂

2

.

(12.157)

Dla i=3 i j=3 wzór (12.154) będzie miał postać

33

E

=

∂ u

3

∂

3

1
2

∂ u

1

∂

3

∂ u

1

∂

3

∂ u

2

∂

3

∂ u

2

∂

3

∂ u

3

∂

3

∂ u

3

∂

3

.

(12.158)

Dla i=1 i j=2 wzór (12.154) będzie miał postać

12

E

=

21

E

=

1
2

∂ u

1

∂

2

∂ u

2

∂

1

∂ u

1

∂

1

∂ u

1

∂

2

∂ u

2

∂

1

∂ u

2

∂

2

∂ u

3

∂

1

∂ u

3

∂

2

.

(12.159)

Dla i=2 i j=3 wzór (12.154) będzie miał postać

23

E

=

32

E

=

1
2

∂ u

2

∂

3

∂ u

3

∂

2

∂ u

1

∂

2

∂ u

1

∂

3

∂ u

2

∂

2

∂ u

2

∂

3

∂ u

3

∂

2

∂ u

3

∂

3

.

(12.160)

Dla i=1 i j=3 wzór (12.154) będzie miał postać

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

34

13

E

=

31

E

=

1
2

∂ u

1

∂

3

∂ u

3

∂

1

∂ u

1

∂

1

∂ u

1

∂

3

∂ u

2

∂

1

∂ u

2

∂

3

∂ u

3

∂

1

∂ u

3

∂

3

.

(12.161)

Opis materialny jest stosowany w teorii konstrukcji, ponieważ warunki podparcia znane są w konfiguracji
pierwotnej. W opisie tym kostka elementarna jest prostopadłościanem przed odkształceniem. 

Opis przestrzenny jest stosowany przede wszystkim w mechanice płynów. W opisie tym elementarna kostka
jest prostopadłościanem w konfiguracji aktualnej. Porównanie obu opisów przedstawia rysunek 12.12.

X

1

X

2

A

B

C

D

A'

B'

C'

D'

u

A

Opis materialny – Lagrange'a

x

1

A

B

C

D

A'

B'

C'

D'

u

 A

Opis przestrzenny - Eulera

x

2

A, B, C, D – konfiguracja pierwotna
A', B', C', D' – konfiguracja aktualna

Rys. 12.12. Opis materialny i opis przestrzenny.

Jeżeli  przemieszczenia  u

i

  będą  małe  to  pochodne  przemieszczeń  także  będą  małe  a   iloczyny  pochodnych

przemieszczeń będą wielkością małą wyższego rzędu i mogą zostać pominięte. Tensor Lagrange'a będzie miał
postać

ij

L

=

1
2

∂ u

i

∂ x

j

∂ u

j

∂ x

i

.

(12.162)

Tensor Eulera będzie miał postać

ij

E

=

1
2

∂ u

i

∂

j

∂ u

j

∂

i

.

(12.163)

Ponadto, gdy przemieszczenia są małe to różnica pomiędzy współrzędnymi x

i

  i  

x

i

  będzie pomijalnie mała.

Można przyjąć więc, że

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

35

x

i

≃

i

,

(12.164)

co daje w rezultacie tylko jeden tensor małych odkształceń, który ma postać

ij

L

=

ij

E

=

ij

=

1
2

∂ u

i

∂ x

j

∂ u

j

∂ x

i

.

(12.165)

Równanie (12.165) jest identyczne z równaniem geometrycznym Cauchy'ego (12.35).

12.9 Równania nierozdzielności odkształceń

W   równaniach  geometrycznych  (12.35)   lub   (12.165)   trzy  funkcje  przemieszczeń  

u

i

x

1

, x

2

, x

3

opisujące   pole   przemieszczeń   służą   do   obliczenia   sześciu   funkcji  

ij

x

1

, x

2

, x

3

opisujących   pole

odkształceń. Wynika stąd wniosek, że funkcje 

ij

x

1

, x

2

, x

3

nie mogą być zupełnie dowolne. Powinny one

spełniać jeszcze trzy dodatkowe warunki.

Chcąc wyznaczyć te trzy dodatkowe równania należy równanie (12.35) zróżniczkować dwa razy i zamienić
kolejne wskaźniki. W efekcie można otrzymać

ij , kl

=

1
2

u

i , jkl

u

j , ikl

kl , ij

=

1
2

u

k , lij

u

l , kij

ik , jl

=

1
2

u

i , kjl

u

k , ijl

jl , ik

=

1
2

u

j , lik

u

l , jik

.

(12.166)

Następnie dwa pierwsze równania dodajemy stronami, a pozostałe równania odejmujemy. W wyniku tego
można otrzymać

ij.kl



kl , ij

−

ik , jl

−

jl , ik

=

1
2

u

i , jkl

u

j , ikl

1
2

u

k , lij

u

l , kij

1
2

u

i , kjl

u

k , ijl

1
2

u

j , lik

u

l , jik

,

(12.167)

które będzie miało postać

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

36

ij.kl



kl , ij

−

ik , jl

−

jl , ik

=

1
2

u

i , jkl

u

j , ikl

u

k , lij

u

l , kij

u

i , kjl

u

k , ijl

u

j , lik

u

l , jik

.

(12.168)

Grupując składniki podobne równanie (12.168) będzie miało postać

ij.kl



kl , ij

−

ik , jl

−

jl , ik

=

1
2

u

i , jkl

u

i , kjl

u

j , ikl

u

j , lik

u

k , lij

u

k , ijl

u

l , kij

u

l , jik

.

(12.169)

W   przypadku  funkcji  ciągłych  jakimi  są   funkcje  przemieszczeń  różniczkowanie  cząstkowe  nie  zależy  od
kolejności różniczkowania czyli można napisać

u

i , jkl

=u

i , kjl

u

j , ikl

=u

j , lik

u

k , lij

=u

k , ijl

u

l , kij

=u

l , jik

.

(12.170)

Podstawiając wzór (12.170) do (12.169) otrzymano

ij.kl



kl , ij

−

ik , jl

−

jl , ik

=0

.

(12.171)

Równanie  to   nazywa   się  równaniem  nierozdzielności  odkształceń.  Wzór   (12.171)   oznacza   3

4

  czyli  81

równań. Z analizy permutacji wskaźników wynika, że tylko sześć z nich będzie niezależnych.

Dla i=k=1, j=l=2 równanie (12.171) będzie miało postać

2

⋅

12,12

−

11,22

−

22,11

=0

.

(12.172)

Dla i=k=2, j=l=3 równanie (12.171) będzie miało postać

2

⋅

23,23

−

22,33

−

33,22

=0

.

(12.173)

Dla i=k=3, j=l=1 równanie (12.171) będzie miało postać

2

⋅

31,31

−

33,11

−

11,33

=0

.

(12.174)

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

37

Dla i=j=1, k=2, l=3 równanie (12.171) będzie miało postać

11,23



23,11

−

12,13

−

13,12

=0

.

(12.175)

Dla i=j=2, k=3, l=1 równanie (12.171) będzie miało postać

22,31



31,22

−

23,21

−

21,23

=0

.

(12.176)

Dla i=j=3, k=1, l=2 równanie (12.171) będzie miało postać

33,12



12,33

−

31,32

−

32,31

=0

.

(12.177)

Wprowadzając symbol permutacyjny (10.35) wzór (12.171) można inaczej zapisać jako

ij

=

ji

=e

ikm

e

jln

⋅

kl , mn

=0

.

(12.178)

Tensor 

h

ij

 nazywa się tensorem niespójności. Równania nierozdzielności można także przedstawić w formie

macierzowej

ij

=

[

11

12

13

21

22

23

31

32

33

]

=0

.

(12.179)

Współrzędne   równowskaźnikowe   oznaczają   równania   (12.172),   (12.173)   i   (12.174).   Współrzędne
różnowskaźnikowe oznaczają równania (12.175), (12.176) i (12.177).

Spełnienie równań (12.171) oznacza, że ośrodek, który był ciągły przed odkształceniem jest także ciągły po
odkształceniu. Każdemu punktowi materialnemu w konfiguracji pierwotnej odpowiada dokładnie jeden punkt
w   konfiguracji   aktualnej   (po   odkształceniu).   W   materiale   nie   powstaną   więc   dziury   ani   elementarne
prostopadłościany nie będą na siebie nachodzić.

Na   początku   tego   punktu   stwierdzono,   że   potrzeba   tylko   trzech   dodatkowych   równań,   a   tymczasem   z
równania  (12.171)  wynika,  że  jest  ich  sześć. Okazuje  się,  że  współrzędne  tensora  niespójności  

h

ij

  nie  są

niezależne. Wewnątrz ciała spełnione mogą być tylko równania odpowiadające tylko równowskaźnikowym lub
różnowskaźnikowym  współrzędnym  tensora   niespójności.   Na   powierzchni  ciała   muszą   być   już   spełnione
wszystkie równania czyli wszystkie współrzędne tensora niespójności muszą się równać zero.

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

38

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater

background image

12. ANALIZA STANU ODKSZTAŁCENIA

39

(12.1)

Prof. dr hab. inż. Andrzej Garstecki
Dr inż. Janusz Dębiński

AlmaMater